JPH02114166A

JPH02114166A - 湿度センサー

Info

Publication number: JPH02114166A
Application number: JP26726688A
Authority: JP
Inventors: Hideki Toyoda; 豊田　秀樹; Kiyoshi Takahashi; 潔高橋; Shinichi Takeda; 伸一武田; Yuji Okunuki; 奥貫　祐次
Original assignee: Rika Kogyo Inc
Current assignee: RKC Instrument Inc
Priority date: 1988-10-25
Filing date: 1988-10-25
Publication date: 1990-04-26
Also published as: JPH0551858B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は湿度センサーに関し、さらに詳しくは耐熱性お
よび耐有機溶剤性に優れ、応答速度の向上した静電容量
形湿度センサーに関する。

［従来の技術およびその課題］従来の湿度センサーとしては、感湿材料としてセラミッ
クを用いて電気抵抗変化を検出するものや、高分子膜を
誘電体として用いて電気容量変化を検出するものが多く
使われている。

このうち、セラミックを用いたものは測湿範囲が狭く、
応答速度が遅い等の問題が残されているのに対し、高分
子膜を用いたものは測湿範囲がほぼＯ〜１００％ＲＨと
広く、かつ応答速度も速いものが得られており、実用性
の高いものである。

しかし、この高分子膜の形成方法として、従来はデイツ
プ法が多く用いられていた。従って膜厚の均一性や膜厚
の制御が不充分であったり、′ＦｉＩＩ溶媒、特にアル
コール系の有機溶媒に侵されやすかったり、耐熱温度が
低く、剥離しやすい等の問題点があった。

本発明は、以上述べたような従来の事情に鑑みてなされ
たもので、耐熱温度、耐有機溶剤性および応答速度の向
上した湿度センサーを提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段１すなわち本発明は、絶縁性基板上と、この基板上に形成
された下部電極と、この下部電極上に形成された感湿性
誘電体薄膜と、この薄膜上に形成され透湿性の金属被膜
よりなる上部電極とを順次積層してなる湿度センサーに
おいて、感湿性誘電体薄膜が芳香族または脂肪族化合物
をモノマーとしてプラズマ重合により形成されたもので
あることを特徴とする湿度センサーである。

本発明の湿度センサーは、実施例を兼ねてその構成を示
す第１図のように、絶縁性基板１上に形成された下部電
極２と、該電極２上にプラズマ重合によって製造された
感湿性誘電体Ｒ膜３と、該薄ｖＡ３上に形成された透湿
性の金属被膜よりなる上部電極４とで構成されている。

なお図中、絶縁層５は絶縁性の向上のために形成したも
ので、必ずしも必要なものではない。

感湿性誘電体薄膜３はプラズマ重合法によって製造され
る厚さ１０００〜２０００人の均一で架橋度の高い親水
性薄膜で、原料上ツマ−として芳香族または脂肪族化合
物を使用したものである。これらの化合物としては、例
えば、ベンゼン、ｎ−ウンデカンのような炭化水素化合
物、１−オクタツル、ｍ−クレゾールのような水酸基含
有化合物、２−オクタノンのようなケトン含有化合物、
ｎ　−カプロン酸のようなカルボン酸含有化合物等が挙
げられ、センサーにした場合に目的とされる感度に応じ
て適宜選択することができるが、取扱い上は室温で液状
のものが好ましい。

このうち、特に望ましい化合物はｍ−クレゾールである
。

本発明の湿度センナ−の製造方法は、洗浄した絶縁基板
、例えばガラス、ポリイミドフィルム等の上に耐食性金
属、例えばＮ　ｒ、ｒａ、ｃｒ。

／Ｍ！、Ａｕ等を下部電極として真空蒸着やスパッタリ
ングにより厚さ１０００〜５０００Ａに形成する。

次に必要に応じて、絶縁層を形成した後、プラズマ重合
装置、例えば誘導結合形プラズマ重合装置や容量結合形
プラズマ重合装置を用いてプラズマ重合を行う。

プラズマ重合は、残留ガス圧が七ツマー流量に対して無
視できる程度の真空度、好ましくは１Ｏ−５Ｔｏｒｒ以
下に排気した後、七ツマーガスを導入する。

モノマーの融点が高＜　（ｍ、ｐ、＞Ｏ’Ｃ）　、充分
なモノマーガス流量が得られないときには、配管全体を
暖めて、一定温度に制御し、モノマーの蒸気圧を高くす
る、ことが好ましい。プラズマ重合は、膜厚が１０００
〜２０００人になったところで止め、このようにして得
られた重合膜を感湿性誘電体薄膜として用いる。

次いで、該基板を大気中に取出した後、真空蒸着やスパ
ッタリングにより透湿性の金属被膜よりなる上部電極を
形成する。上部電極は直接外気にざらされるために、耐
食性のある金属、例えばＮ　ｉＣｒ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｎ　
ｉ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ等を使用するのがよい。なお、上
部電極に透湿性を与えるために多孔質にする必要がある
が、これには膜厚を５０〜２００人にすることで島状ｍ
造を形成させればよい。

次に、銀ペーストや超音波はんだ等により、リード線の
はんだ付けを行い、１枚の絶縁基板上でセンサーを多数
個数りにする場合には、絶縁基板のカッティングを行う
。

［作用］次に本発明の作用について、この発明の特徴的な部分を
なす感湿性誘電体薄膜の形成を中心としてｊホへる。

有機ガスを導入してプラズマ重合を行った場合、プラズ
マ中にはモノマーの励起、イオン化、再結合、付着、離
脱等によって生じた化学的活性種が数多く含まれており
、反応容器内の固体表面上に重合膜が形成するとされて
いる。そして得られる高分子膜は一般に高密度に架橋し
た構造となり、硬くて有機溶媒に溶けにくいと共に、重
合性に規則性がないために、膜表面の凹凸が少なく、こ
のためピンホールの少ない均一な薄膜が得られるという
特徴がある。また、普通の化学的プロセスで製造する場
合と比較して、重合時間が短く、ドライプロセスで行う
ことができると共に、重合時間の調整により同一膜厚の
ものを制御性よく製造でき、しかも化学的プロセスでは
重合困難なモノマーの重合も可能である等の重合操作上
の特徴もある。

本発明の湿度センサーでは、感湿性誘電体薄膜を上記の
ような特徴を有するプラズマ重合により形成しており、
この高分子膜は、赤外線吸収スペクトルで調べるとカル
ボニル基（）Ｃ＝０）に相当する部分に強い吸収スペク
トルが認められ、このカルボニル基が親水基として働い
て高分子膜に親水性を与えていることがわかる。このカ
ルボニル基の量は空気中で１５０℃以上に熱処理をした
り、印加電力を増加したり、分子内に酸素原子を多く含
むモノマーを使用したりすることによっても増加するこ
とを確認している。また、カルボニル基の指が多いもの
は、センサ〜にした時に感度の大きいものが得られる。

モノマー分子内に酸素を含まない分子でも、プラズマ重
合後、空気と接触させることにより直ちに高分子内の残
留ラジカルと空気中の酸素とが反マーが不飽和結合を有
しない鎖状炭化水素であったり、印加電力が小さいとカ
ルボニル基の形成は少なく、従ってセンサーにしたとき
の感度は比較的小さい。ところが、モノマー分子内に酸
素を含むものや、不飽和結合を多く含むもの、そして印
加電力が大きいものはカルボニル基の形成は多く、セン
サーにしたときの感度は比較的大きいものが得られる。

このようにして作成した湿度センサーは従来のセルロー
ス系の高分子を感湿性誘電体として作った湿度センサー
に比べ次のような特徴を有するものとなる。即ち、 ■プラズマ重合で感湿性誘電体薄膜を作成しているため
に、膜厚が１０００〜２０００八と薄く、平坦で均一な
ものが得られ、高容量のコンデン“すができる。例えば
１０ｍｍ２の面積に対して１．５〜３．ＯｎＦの容量が
得られ、従来の方法では０．５ｎＦ以下のものが多い。

■相合条件の中で、重合時間を調整することにより感湿
性誘電体薄膜の膜厚を揃えることができる。

■モノマーの種類や、印加電力を変えることにより、セ
ンサーにしたときの感度を調整することができ、また高
感度のものを得ることができる。

■感湿性誘電体薄膜を１０００〜２０００八と薄くする
と、湿度センサーの吸湿応答速度が０．１秒以下のもの
が得られる。

■プラズマ手合で感湿性誘電体薄膜を作成するため、高
密度に架橋した構造となり、耐薬品性に優れ、各種有機
溶媒、例えばブタノン、エタノール、ベンゼン等に浸し
ても感湿性誘電体が溶けたり、剥離したりすることはな
い。また、結露に対しても剥離は認められない。

■高密度に架橋した構造のため耐熱性に優れ、空気中で
あれば１５０’Ｃでも劣化は殆ど認められない。更に、
２５０℃という高温下においても吸湿特性を有している
。

［実施例］次に本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明
する。

第１図は本発明の一実施例による湿度センサを示したも
ので、第１図（ａ）は部分断面図、第１図（ｂ）は平面
図である。この湿度センサーを次のようにして製造した
。

２２ｘ　２２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの硬質ガラス製の絶
縁性基板１を超音波洗浄し、乾燥させた後に、真空蒸着
によりＮｉＣｒを１ｏｏｏ人の厚さに蒸着し、下部電極
２とする。その上に真空蒸着で３０人のＡ！を蒸着し、
空気中で２００℃、３０分の熱酸化を行って、八！２０
３の絶縁層５を形成する。なお、この絶縁性基板１は、
４個取りとして使用する。

次に第２図に示すようなプラズマ重合装置を用い、容積
的２βのガラス製反応容器６内に設置されたテフロン台
７の上に上記試料８を下部電極２を上側にして設置する
。流量調整バルブ９とメインバルブ１０を開き、液溜め
１１と流量調整バルブ９との間にある七ツマー以外のガ
スを排気した後、流量調整バルブ９を閉じて、反応容器
６内を５　ｘ　１０−６　Ｔｏｒｒに排気した。このよ
うにした後、流量調整バルブ９を少しずつ開き七ツマー
ガス流量が０．０５〜０．３０３ＣＣ）ｌ、好ましくは
０．１５３ＣＣＨとなるように調整する。そして次の条
件でプラズマ重合を行った。

モノマー：　ｍ−クレゾール印加電力　　：　　３０Ｗモ／マｉ！ｉ；　　　０．１５ＳＣＣＨ重合時間　　；
　５分基板温度　　：　　２０’Ｃ周波数　　　：　　１３．５６　Ｈ２反反応容器外部　２でメインバルブ；　閉なお、ここではモノマーとしてｍ−クレゾールを使用し
たが、使用するモノマーの融点が高く、充分な七ツマー
ガス流量が（ｑられない場合は、液溜め１１、流量調整
バルブ９、反応容器６に至るまでの配管全体を暖めて一
定温度に制御し、モノマーの蒸気圧を高くする必要があ
る。七ツマーガス流量が一定になった後に、誘導コイル
１２により周波数１３．５６　Ｈｔｌｚ、出力２０〜５
０Ｗで高周波磁界を反応容器に印加する。また、メイン
バルブ１０を閉じた系でグロー放電が安定するモノマー
についてはこれを閉じ、グロー放電を発生させる。種々
のモノマーを用いて実験した結果では、芳香族化合物を
モノマーとする場合にはメインバルブを閉じた系にする
とグロー放電が安定し、鎮状化合物をモノマーとする場
合には、モノマーの導入と排気を連続して行うとグロー
放電が安定しやすかった。

なお、外部誘導形コイルを用いて反応容器外部から高周
波磁界を印加した場合には、周波数１３．５６１１付近
では反応容器いっばいに均一なグロー放電が拡がった。

重合条件によっても異なるが、３〜１０分で膜厚が１０
００〜２０００人になったところで印加をやめる。

ｍ−クレゾールを用いた上記重合条件で得られる感湿性
誘電体薄膜の膜厚は約１３００人であり、またその赤外
線吸収スペクトルは第３図に示すようになった。同図か
られかるように、１７０５ｃｍ−１のカルボニル基に相
当する部分に強い吸収スペクトル１３が認められ、この
カルボニル基が親水基として働いて、高分子膜に親水性
を与えていることがわかる。以下に、第３図における主
な吸収スペクトルを示す。

３４１０ｃｍ−’　（Ｈ２０）　、　２９１５ｃｎｒ’
　（−ＣＨ２）　。

２８７０ｃｍ−’　　（−Ｃヒ１３　　＞　　、　　１
７０５ｃｔｎ−’　　（、；ｃ＝ｏ＞　　。

１６２０ｃｍ−’　（Ｈ２０）　、　１４６０ｃｍ−’
　（ンＣＨ２）。

また、該誘電体薄膜の表面は、凹凸がなく平坦で、５０
人の分解能のＳＥＸで測定しても凹凸は認められなかっ
た。

次に、真空蒸着によりＮｉＣｒを８０人の膜厚になるよ
うに蒸着し、透湿性の上部電極４とした。

そして、超音波はんだによりリード線１４をはんだ付け
した後、絶縁性基板１をカッティングし、４個の湿度セ
ンサーを得る。

１ｑられた湿度センサーの温湿度特性および吸湿応答速
度特性をそれぞれ第４図および第５図に示す。同図から
れかるように、感度△Ｃ（△Ｃ＝（Ｃ１００％ＲＨＣｏ
％Ｒ１＋）／ＣＯ％ＲＨ）”大きな湿度８ンサーが得ら
れ、吸湿応答速度も０．１秒以下であった。ｍ−クレゾ
ール以外のモノマーを用いて測定した結果、七ツマー分
子内に酸素を含むものや、不飽和結合を多く含むものを
用いて作製した湿度セン曇ナーでは感度△Ｃ＝　０．４
〜１．０と比較的大きな感度のものが得られた。

また、各湿度における経時変化を第６図に示す。

湿度センサーの耐有機溶剤性試験感湿性誘電体薄膜の剥離や溶解を調べるために、上部電
極を付けずに感湿性誘電体薄膜を露出させた状態で各溶
媒に室温（約２２°Ｃ）で３０日間浸漬し、目視により
確認した結果、第１表のようになった。

第１表また、湿度センサーの耐有機溶剤性を調べるために、ベ
ンゼンとエタノールに浸漬して、浸漬前後のＯ％ＲＨに
あける容量変化と、感度の変化を調べた。また、水と硫
化水素についても測定し、その結果を併せて第２表に示
す。同表から容量変化、感度変化の小さいことがわかる
。

（以下余白）［発明の効果１以上説明したように、本発明の湿度センサーに用いられ
る感湿性誘電体薄膜は、感度および膜厚を制御性良く製
造できると共に、高密度に架橋した構造をとり、かつ重
合に方向性がなくて表面平坦性の良いものである。この
ため耐薬品性、特に耐有機溶剤性に優れていると共に結
露にも強く、かつ耐熱性に優れ、応答速度の速い任意の
容量を有する湿度センサーを歩沼りよく提供することが
可能となる。また、この湿度センサーは、従来の湿度セ
ンリーの特徴である、直線性が良い、相対湿度に感する
、等の特性も兼備えたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の概略断面図および平面図、
第２図は本発明の湿度センυ−の製造に用いられるプラ
ズマ重合装置の一例の概略構成図、第３図はｍ−クレゾ
ールプラズマ重合膜の赤外線吸収スペク１ヘル図、第４
図は本発明の一実施例の温湿度特性図、第５図は本発明
の一実施例の吸湿応答速度特性図、第６図は本発明の一
実施例の経時変化特性図である。１・・・絶縁性基板３・・・感湿性誘電体薄膜４・・・上部電４両６・・・反応容器８・・・試料１０・・・メインバルブ１２・・・誘導コイル１４・・・リード線５・・・絶縁層７・・・テフロン台９・・・流Ｍ調整バルブ１１・・・液溜め１３・・・ンＣ＝Ｏのピーク２・・・下部電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁性基板上と、この基板上に形成された下部電
極と、この下部電極上に形成された感湿性誘電体薄膜と
、この薄膜上に形成され透湿性の金属被膜よりなる上部
電極とを順次積層してなる湿度センサーにおいて、感湿
性誘電体薄膜が芳香族または脂肪族化合物をモノマーと
してプラズマ重合により形成されたものであることを特
徴とする湿度センサー。
（２）芳香族または脂肪族化合物がｍ−クレゾールであ
る請求項（１）記載の湿度センサー。